水力壓裂切頂卸壓控制臨近巷道圍巖變形研究

景剛剛

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

采空區頂板管理直接影響工作面及臨近巷道礦壓顯現[1-2]，一般來說采空區頂板懸露的面積越小，工作面及臨近巷道礦壓顯現越不明顯，懸頂的面積越大，當頂板垮落時礦壓顯現越明顯，容易造成煤壁片幫、巷道圍巖變形較大等問題[3-4]，故如何控制采空區頂板懸露大小成為研究的重點，一些學者提出了強制爆破等切頂技術，雖然在切頂上達到了較好的預期效果，但也帶來易引發瓦斯和煤塵爆炸等問題。近年來，水力壓裂切頂技術發展迅速，優勢在于避免火工爆破帶來的次生災害，且能溫和、可控的產生頂板裂隙，達到切頂卸壓的目的，也不產生有害氣體[5-6]。本文針對豹子溝煤礦頂板堅硬難冒落等問題，從理論分析、現場應用及效果檢驗等方面系統研究水力壓裂切頂卸壓控制臨近巷道圍巖變形技術，為相似地質條件圍巖控制提供借鑒經驗。

1 工程概況

豹子溝煤礦的3316工作面和3314工作面為相鄰工作面，均未開采，其中3316回風順槽和3314運輸順槽相鄰，煤柱間距為40m。兩工作面均為簡單褶曲構造，工作面煤層底板起伏較小，北部為三條集中大巷，工作面布置情況如圖1所示。3316工作面首先回采，起初煤層厚度4m左右，采用一次采全高綜合機械化采煤。回采過程中，采空區懸露頂板較大，來壓時工作面壓力顯現明顯，尤其是臨近巷道3314運輸順槽巷道圍巖變形嚴重，以底鼓為主，局部底鼓可達1000mm。隨著工作面推進，工作面煤層厚度逐漸增加，平均6m，采空區懸露頂板同樣較大，來壓時動壓影響更為明顯，3314運輸順槽變形更加嚴重，局部底鼓量達1500mm，嚴重影響豹子溝煤礦生產銜接等問題。

2 水力壓裂切頂機理

采空區懸露的頂板不能及時垮落的主要原因在于頂板為強度高、完整性好，且受采動影響后完整性仍較好的巖層。隨著工作面的推進，采空區上方，尤其是上隅角弧形三角板不能及時垮落，從而造成懸頂，頂板越堅硬、巖層越厚，弧形三角板面積越大，如圖2所示。懸頂沒有及時破斷主要是因為煤柱上方形成的懸臂梁在煤柱邊緣沒有形成足夠的裂隙面，也沒有形成足夠大的應力集中切斷巖層。所以若想切斷采空區上方弧形三角板的懸露的頂板，可采用人為的、安全的預裂切頂技術，即水力壓裂切頂技術，增加煤體上方巖體的裂隙面，使懸露的頂板在自重作用下及時垮落。

圖1 3316工作面巷道布置示意圖

圖2 工作面頂板垮落弧形三角板形態

3 水力壓裂方案設計及實施

壓裂切頂在3316回風巷，設計一個長度為300m壓裂試驗段。根據水力壓裂機理和礦井地質條件確定壓裂鉆孔的位置以及壓裂的相關參數。

（1）為了確保3316回風巷水力壓裂的裂隙效果，在頂板距3316回風巷副幫（保護煤柱一側）1m處施工壓裂鉆孔。鉆孔直徑75mm，相鄰兩組鉆孔間距10m，鉆孔水平投影與巷道軸線方向呈10°夾角，偏向煤柱側，每組鉆孔長度為40m，仰角為60°，水平投影長度為20m，垂直投影長度為35m。水力壓裂鉆孔布置圖如圖3所示。

（2）鉆孔布置后，實施壓裂過程中，壓裂鉆孔每3m采用切槽鉆頭預制設計方向的裂縫，壓裂的間距為3m，采用高壓水預制定向壓裂。為不影響生產，水力壓裂作業位置距離工作面不低于100m，壓裂鉆孔開口處至8m內不得進行壓裂，主要保護錨索支護效果。

（3）壓裂試驗段在3316回風巷842m至1142m處，共300m，注水壓力為 17～32MPa，壓裂時間10～30min。壓裂段從6月23日至8月8日施工完成，對應在3314運輸順槽建立圍巖變形觀測站。

圖3 水力壓裂鉆孔布置圖

4 水力壓裂效果檢驗

對壓裂試驗段附近的3314巷道圍巖變形進行監測，監測結果如圖4所示。結果表明，壓裂段巷道變形以底鼓為主，底鼓最大值為285mm，頂板、左和右幫變形量較小，最大值分別為114mm、52mm和96mm；在未水力壓裂附近的3314巷道圍巖變形也以底鼓為主，但底鼓最大值在1000mm以上，未卸壓區域頂板下沉量可達500mm，左幫和右幫移近量在140mm以上。

圖4 3314巷道圍巖變形監測曲線

5 結語

本文理論分析了懸露頂板未能及時垮落的原因，提出了水力切頂卸壓的方法，結合礦上實際情況，提出了水力壓裂設計方案，并現場實施應用。結果表明，未實施水力切割的臨近巷道圍巖變形較大，其中底鼓量最大值超過1000mm，實施水力壓裂卸壓的臨近巷道圍巖變形較小，其中底鼓量最大值為285mm?？梢缘贸鰧嵤┧η许斝秹盒Ч黠@，為相似地質條件下臨近巷道圍巖變形控制提供了寶貴的經驗。